作成： 1999/10/17 安部 静子
データ番号 ：020120
マルチトレーサー法による微量元素の植物体における移動と分布の研究
目的 ：植物体内微量元素の動態研究へのマルチトレーサー法の応用
放射線の種別 ：ガンマ線,重イオン
放射線源 ：理研リングサイクロトロンで製造したマルチトレーサー
利用施設名 ：理化学研究所リングサイクロトロン
照射条件 ：室温、真空中
応用分野 ：植物生理学、土壌肥料学、環境科学、農業生産
概要 ：
理化学研究所で開発されたマルチトレーサー法を用いると、Be からReまでの多くの元素の動きを同時に観測することができる。そこでこのマルチトレーサー法を用いて植物による微量元素の取り込みに対する共存イオンの影響および土壌の酸性度の影響を調べた。また取り込まれた微量元素が、ダイズの成長とともにどの部位に移動するかを調べた。
詳細説明 ：
植物は炭素や酸素などの多量元素とマンガン、鉄、亜鉛などの微量元素からできている。微量元素は多すぎても少なすぎても、植物は健全に生育する事ができない。微量元素は植物にとって重要であると認識されているが、その植物体内分布や機能に関しては、これから、研究すべきことが多々ある。これらの研究が進めば、植物の病気の予防や食料の増産へとつながっていくと考えられる。
理化学研究所の理研リングサイクロトロンで加速した高エネルギーの窒素イオンなどのビームで金、銀などの板を照射すると種々の放射性核種が生成する。これらの放射性核種を個々に分離せずに、植物に投与すると多くの元素の吸収・移行過程を同時に追跡することができる。この方法はマルチトレーサー法として、多くの元素が関与する系に効率よく応用可能である。マルチトレーサーは無担体で調製されるので個々の元素の量は極めて微量であり、マルチトレーサーを植物に投与した場合、元素の毒性などの影響は無視する事ができる。次に具体的に実験方法を記載する。
理研リングサイクロトロンで加速した高エネルギーの窒素イオンなどのビームで金、銀などの板を照射し、生成した放射性核種を金、銀ターゲットから化学分離する。得られたマルチトレーサー溶液には担体や塩類は一切含まれていない。マルチトレーサー溶液は蒸発乾固したのち、水あるいは培養液を加えて溶解する。微量元素の土壌からの吸収を調べるには、マルチトレーサー水を土壌に添加する。これで植物を育成し、目的とする部位を採取して、乾燥後ガンマ線スペクトルをゲルマニウム半導体検出器で測定する。得られたガンマ線スペクトルは、多くのピークからなり極めて複雑なので、コンピューターによる解析が必要である。次に三つの実施例を紹介する。
マルチトレーサーを添加した培養液の濃度を変えて、コマツナを育成し培養液濃度とマルチトレーサーの吸収との関係を調べた。マルチトレーサーの吸収の度合いを次のように定義される選択吸収係数Sで表した。
A=STC
ここでA は一定時間内に植物に吸収された元素の量、Tはこの期間中の蒸散量、 Cは培養液中の元素の初濃度である。表1に示すように葉や根における選択吸収係数Sは、一般に共存イオン濃度の増大にともない減少する事がわかる。
表1 The selective absorption coefficients of various elements obtained from nutrient solutions with the concentrations of 0.12-2.4 mS cm-1 for leaves and roots of komatsuna.（原論文1より引用。 Reproduced from Environmental and Experimental Botany, Vol.41, p185-194 (1999), Tab.1(p.189), S. Ambe, T. Shinonaga, T. Ozaki, S. Enomoto, H. Yasuda and S. Uchida, Ion Competition Effects on the Selective Absorption of Radionuclides by Komatsuna (Brassica rapa var. perviridis); Copyright(1999), with permission from Elsevier Science.）
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Element 0.12 mS cm-1 0.24 mS cm-1 0.48 mS cm-1 1.2 mS cm-1 2.4 mS cm-1
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Leaves
Na 0.81±0.07 0.40±0.06 0.44±0.12 0.27±0.04 0.23±0.06
K 14.3±8.1 5.8±0.1 2.0±0.1 1.9±0.4 0.68±0.10
Rb 5.2±2.2 4.8±1.5 3.1±0.5 1.5±0.5 0.79±0.12
Cs 1.84±0.08 1.03±0.11 0.86±0.01 0.53±0.04 0.40±0.005
Be 1.1±0.8 0.46±0.19 0.20±0.09 0.05±0.01 0.04±0.06
Ca 6.3±4.6 3.7±1.9 2.8±1.6 1.1±0.4 0.62±0.17
Sr 7.1±3.1 3.8±1.5 2.6±0.8 1.3±0.5 0.61±0.13
Ba 7.4±3.8 5.4±1.8 3.1±0.9 1.4±0.5 0.7±0.3
V 0.04±0.02 0.03±0.02 0.03±0.03 0.02±0.02 0.02±0.01
Cr 0.10±0.04 0.06±0.01 0.04±0.01 0.04±0.03 0.03±0.01
Mn 5.1±4.8 4.9±2.7 4.7±3.7 2.2±1.2 1.6±0.7
Fe 0.03±0.001 0.05±0.03 0.05±0.03 0.04±0.04 0.04±0.03
Co 1.1±1.1 1.5±1.3 1.0±1.1 1.2±1.3 0.8±0.8
Zn 3.7±6.0 2.0±2.8 0.4±0.2 2.9±3.7 1.9±1.9
Ga 0.02±0.03 0.02±0.02 0.04±0.01 0.01±0.001 0.01±0.01
Se 0.39±0.09 0.33±0.17 0.18±0.05 0.33±0.18 0.19±0.17
Ce 0.006±0.004 0.006±0.004 b b b
Re 2.8±1.0 2.4±1.4 1.7±0.9 1.1± 0.4 0.43±0.08
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Roots
Na 0.05±0.1 0.02±0.04 0.04±0.04 0.01±0.03 b
K 2.0±0.2 1.5±0.2 0.55±0.06 0.10±0.09 0.08±0.12
Rb 2.9±1.4 1.8±0.4 1.1±0.2 0.6±0.2 0.25±0.06
Be 12.3±3.7 8.1±2.0 5.4±1.1 3.5±1.0 3.8±1.2
Ca 0.8±0.2 0.7±0.5 0.3±0.2 0.08±0.08 0.13±0.08
Sr 1.5±0.6 0.71±0.20 0.35±0.10 0.28±0.13 0.12±0.04
Ba 6.6±1.1 3.3±1.9 2.4±1.1 1.5±1.5 1.1±0.2
V 0.5±0.2 0.6±0.3 0.5±0.3 0.3±0.1 0.3±0.1
Cr 2.2±1.0 1.8±0.4 1.3±0.4 0.8±0.2 0.7±0.2
Mn 4.0±1.7 2.9±1.1 2.5±1.0 1.6±1.6 1.1±0.8
Fe 2.8±1.6 1.6±2.2 2.2±0.2 3.0±1.1 3.2±0.3
Co 8±10 6±7 7±9 4±5 2±2
Zn 7.6±3.1 5.5±4.0 3.1±0.8 4.3±2.8 2.8±1.5
Ga 2.0±0.9 1.1±1.5 1.7±0.1 2.2±0.7 2.3±0.06
As 1.6±0.4 1.9±1.2 0.9±0.2 0.5±0.3 0.4±0.2
Se 2.8±3.0 3.5±1.7 2.2±0.8 3.0±1.3 1.4±0.8
Sc 0.9±0.5 1.8±0.5 1.1±0.5 1.3±0.8 3.0±2.0
Y 0.3±0.2 0.5±0.3 0.4±0.2 0.4±0.3 0.7±0.4
Pm 3.8±0.9 3.2±1.8 2.6±1.7 2.6±1.3 3.6±0.1
Eu 2.3±0.9 2.8±1.4 3.5±1.8 2.3±1.0 3.1±0.9
Gd 2.1±0.9 2.0±1.4 2.6±1.6 1.6±0.8 2.6±0.5
Ce 8.0±2.3 5.7±0.7 5.7±1.1 3.5±0.7 5.8±0.8
Ir 0.09±0.02 0.41±0.36 0.12±0.03 0.28±0.23 0.35±0.24
Pt 3.2±1.1 2.9±1.3 3.5±1.5 3.7±0.7 3.7±1.2
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a In leaves the values of As, Sc,Y,Pm,Eu,Gd, Ir and Pt and in roots those of Cs and Re
were below detection limits.
b Less than detection limits.
ここでは便宜上培養液中の元素の濃度を電気伝導度であらわしている。選択吸収係数Sは植物による元素吸収のモデルのパラメータである。種々のイオン濃度について選択吸収係数Sをもとめておくと、モデルを用いて土壌から元素の植物への移行係数を求めることができる。
植物体内に取り込まれた元素が細胞内にどのように分布するかをダイズとキウリについて調べた。これらの植物にマルチトレーサーを与えて10日間育成したのち、地上部を採取して、細胞分割を行い、細胞壁と核、葉緑体、ミトコンドリア、上澄み液にわけた。大豆における代表的な元素の分布は、Ｒｂでは、細胞壁と核に０．３８％、葉緑体０．２５、ミトコンドリア０．０３、上澄み液９９．３４、Ｍｎでは細胞壁と核１２．４５、葉緑体１７．３７、ミトコンドリア２．３７、上澄み液６７．８１、Ｆｅでは、細胞壁と核８．２５、葉緑体７５．７５、ミトコンドリア６．１１、上澄み液９．８９、Ｚｎでは細胞壁と核０．４０、葉緑体３９．８３、ミトコンドリア３．６２、上澄み液５６．１６であった。キウリについは若干の違いがあるものの大豆と同様の分布傾向が見られた。（原論文２参照）
多くの植物は酸性土壌では健全に育つことができない。微量元素取り込みにたいする酸性度の影響を見るために、土壌にマルチトレーサーを添加してpH4 と6にして、ダイズ種子を植えた。植えてから15, 30, 45, 60日ごとに採取して、各部位への元素の分布を調べた。結果を図1にしめす。一般に陽イオンになる元素は酸性土壌からより多くダイズに吸収された。Seなどの陰イオンとなる元素は逆に吸収が減少した。この傾向は生育時間が長くなるに従い顕著になる。
図1 The effect of soil acidity on the uptake of trace elements in soybean plants.（原論文3より引用。 Reproduced from J. of Applied Radiation and Isotopes, Vol.52, No.4, pp803-811(2000), Fig.1(p.14), H. F. Wang, N. Takematsu and S. Ambe, Effects of Soil Acidity on the Uptake of Trace Elements in Soybean and Tomato Plants; Copyright(2000), with permission from Elsevier Science.）
コメント ：
理化学研究所で開発したマルチトレーサー法は、植物による多種類の微量元素の取り込みおよび移動を同時に追跡できる利点がある。しかし、たくさんのガンマ線がでるので、試料の測定には比較的長時間を要する。また得られたガンマ線スペクトルは極めて複雑でコンピュータによる解析が必要である。
原論文１ Data source 1：
Ion Competition Effects on the Selective Absorption of Radionuclides by Komatsuna (Brassica rapa var. perviridis)
S. Ambe, T. Shinonaga, T. Ozaki, S. Enomoto, H. Yasuda* and S. Uchida**
The Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Saitama, Japan
*National Institute of Radiological Sciences, Inage, Chiba, Japan
**National Institute of Radiological Sciences, Hitachinaka, Ibaraki, Japan
Environmental and Experimental Botany, Vol.41, p185-194 (1999)
原論文２ Data source 2：
Subcellular Distribution and Translocation of Radionuclides in Plants
S. Gouthu, R. Weginwar, T. Arie, S. Ambe, T. Ozaki, S. Enomoto, F. Ambe and I. Yamaguchi
The Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Saitama, Japan
Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 18, p2023-2027 (1999)
原論文３ Data source 3：
Effects of Soil Acidity on the Uptake of Trace Elements in Soybean and Tomato Plants
H. F. Wang, N. Takematsu and S. Ambe
The Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Saitama, Japan
Applied Radiation and Isotopes, Vol.52, No.4, pp803-811(2000)
参考資料１ Reference 1：
放射線の新しい農業利用 植物研究へのマルチトレーサーの利用
安部 静子
理化学研究所
放射線と産業、67巻, 23-26 (1995)
キーワード：微量元素、植物、ダイズ、コマツナ、吸収、移動、分布、マルチトレーサー、酸性土壌
trace element, plant, soybean, komatsuna, absorption, transfer, distribution, multitracer, acid soil
分類コード：020303, 020501, 040301